屏蔽門玻璃的選用及有限元分析

姜 翼，蘇會強，應寅瓊

（寧波南車時代傳感技術有限公司，浙江 寧波 315021）

隨著我國經濟的快速發展，大中城市的交通運輸，也面臨嚴重的壓力。為了緩解這種壓力，速度快和運輸量大的地鐵及輕軌交通工具，普遍受到歡迎。軌道交通不僅可以緩解日益嚴重的交通堵塞，還能有效地解決人員出行問題，降低城市交通運行成本。伴隨著軌道交通的發展，軌道交通候車站臺的安全隱患和能源消耗等問題，也逐漸被凸顯出來，因此地鐵屏蔽門（Platform Screen Door簡稱PSD）系統技術，也逐漸得到廣泛的應用和發展。

地鐵屏蔽門系統，不僅可以降噪節能，而且還能有效避免安全事故的發生，因此已被越來越多地用于地鐵車站中。為了增加屏蔽門系統與地鐵站臺裝修設計的美觀性，屏蔽門系統一般都采用鋼化玻璃，以達到通透性要求。但隨著鋼化玻璃的廣泛應用，屏蔽門玻璃突然爆裂的現象，也時有發生，所以門體玻璃材質的選用及結構設計，也逐漸得到了重視。

1 鋼化玻璃性能及爆裂現象分析

玻璃是一種透明脆性均質材料，是一種凝固的液體，是處理采光的最佳建筑材料。鋼化玻璃通常是將普通玻璃和浮法玻璃加熱至軟化點，然后用常溫空氣均勻地噴涂驟冷而成。采用這一處理辦法，能使表面形成壓縮應力，其能消除破壞玻璃的拉應力，比同厚的浮法玻璃強度高3～5倍。即使萬一破損，也會變成顆粒狀，具有很高的安全性。

玻璃在鋼化后，不能再切割，所以玻璃板材必須按設計尺寸下料后，再進行熱處理，而且切角、打孔等加工，都必須在鋼化前進行。鋼化玻璃存在很高的自應力，所以一旦局部受損，便會整塊粉碎，所以搬運，貯存都應特別小心。

綜合考慮鋼化玻璃爆裂的原因，主要有：設計缺陷造成玻璃受力狀況不合理；設計選材、選型不能達到強度要求；安裝施工不規范，使玻璃局部受力超過承載極限；玻璃中夾雜的硫化鎳（NiS）雜質相變所造成的破碎，即鋼化玻璃的自爆等。

在生產玻璃的原料中，通常含有微量的Ni和S，當玻璃加工受熱時，這些Ni和S原子發生反應形成微小的NiS晶體。這些晶體通常以兩種方式存在：高溫下穩定的密度較大的α相晶體和室溫下穩定的密度小一些的β相晶體。

浮法玻璃中NiS晶體基本上以β相晶體存在，而在加工鋼化玻璃時的高溫強化過程，會把所有的NiS晶體都轉化成高密度的α相晶體，但后續低溫冷卻過程迅速，以致NiS晶體沒有充足的時間重新轉化成β相晶體。NiS晶體由高溫狀態的α相轉化成低溫狀態β相時，體積膨脹2%～4%，如果α相晶體位于鋼化玻璃張應力區內，則體積膨脹就會引起玻璃破碎，即產生自爆現象。

2 屏蔽門玻璃的安全選用

據相關報道，2011年上海軌道交通屏蔽門相繼發生鋼化玻璃突然爆裂事件。為了避免此類事件的發生，屏蔽門玻璃宜采用安全玻璃。根據國標《建筑用安全玻璃》規定，所謂的安全玻璃是指鋼化玻璃、夾層玻璃，或者由這兩種玻璃組合的中空玻璃。

屏蔽門系統作為地鐵站臺建筑裝修的重要組成部分，不僅要滿足整體裝修風格的統一協調，還要保證使用的安全性。因此屏蔽門通常用大面積玻璃，來營造明亮的室內光環境，并達到建筑空間交融的效果。

屏蔽門玻璃的安全選用，應符合國家相關標準，根據《玻璃幕墻工程技術規范》和《建筑玻璃應用技術規程》規定，考慮到地鐵站臺屬于人流集中的公共場所，屏蔽門玻璃還有抗風壓和防人體沖擊要求，所以屏蔽門玻璃選用應以鋼化玻璃為主。

鋼化玻璃在使用過程中，有一種不可避免的特性就是自爆。據統計，自爆發生的概率是靜態自爆率約2‰～3‰，安裝施工后使用過程中自爆率約3‰～5‰左右。

目前，國內外生產廠家對鋼化玻璃自爆問題，還無有效解決辦法，被業界視為“建筑用幕墻玻璃的癌癥”。

為了降低玻璃自爆對乘客的損傷，可以選用經過均質處理的鋼化玻璃。將鋼化玻璃再次加熱到290℃左右，并保溫一定時間，使NiS晶體在玻璃出廠前完成晶相轉變，讓可能發生自爆的玻璃，在工廠內提前破碎。這種鋼化后再次處理的方法，通常稱作“均質處理”。經過正規均質處理后的鋼化玻璃，其自爆概率比未作二次處理的下降50%以上。

屏蔽門玻璃在實際運用中，受不同地區、不同環境的影響，所承受的風壓并不完全相同。因此，屏蔽門玻璃也可選用更為安全的夾層玻璃。目前，新加坡地鐵半高安全門使用就是夾層玻璃。夾層玻璃是在兩層或兩層以上薄片玻璃之間，用有彈性的有機塑料粘合劑粘合而成。由于玻璃與塑料組合在一起，當沖擊破裂時，夾層玻璃能最好地保持其完整性，即破裂后不易四散分開，僅在表面出現裂紋而不脫落，如圖1。

圖1 夾層玻璃

夾層玻璃中間層為聚乙烯醇縮丁醛膜（PVB膜），其厚度尺寸一般為0.375 mm、0.75 mm、1.5 mm等。將玻璃與PVB膜經高壓窯等設備的加壓加熱工序組合而成后，形成夾層玻璃。其最大的特點為安全性，當遭受外力破壞后，只產生裂痕，但不會碎落，還具有良好的隔聲和防紫外線的功能。PVB能吸收沖擊能量，用不同厚度的PVB和玻璃片數，可制成防彈玻璃。

為了確保城市公共安全，我們應綜合經濟、技術和應用各方面因素，正確選用屏蔽門玻璃。當然設計時也應根據規范及工程實際的受力情況，選擇最佳的玻璃形式，使整個玻璃結構處于合理受力狀態，以避免額外應力，增加結構使用的安全性。

3 屏蔽門玻璃的有限元分析

屏蔽門玻璃在實際使用中，會受到復雜的載荷影響。可以利用ANSYS的程序語言APDL，建立鋼化玻璃結構的參數化模型，通過參數化方式分析鋼化玻璃在載荷作用下的力學性能，保證屏蔽門鋼化玻璃的強度滿足使用要求。

在屏蔽門玻璃有限元模型中，采用三維20節點實體結構單元solid95，利用掃略法將模型劃分為六面體網格，如圖2。

圖2 鋼化玻璃有限元模型

圖3 為鋼化玻璃的結構變形及應力分布情況，載荷工況為：風壓1 000 N/m2；擠壓載荷1 500 N/m2；沖擊載荷2 800 N，時間0.08 s；水平加速度0.2 g；垂直加速度0.1 g。

由圖3a)可知，該工況下鋼化玻璃最大變形為4.3 mm，位于玻璃中心。由圖3 b)可知，鋼化玻璃的剪切拉應力與剪切壓應力相等，呈對稱分布。

圖3 鋼化玻璃的結構變形及應力分布情況

在國標《玻璃幕墻工程技術規范》6.1.1中規定，“框支承玻璃幕墻單片玻璃的厚度不應小于6 mm”。考慮加載上述工況下，鋼化玻璃的最大應力隨玻璃厚度的變化曲線，如圖4。

圖4 鋼化玻璃的最大應力隨厚度的變化曲線

當厚度由4 mm增加到14 mm時，鋼化玻璃的最大應力開始時急劇下降，然后緩慢變化。這說明薄的鋼化玻璃的承載能力較差，但是當玻璃的厚度達到一定程度后，隨厚度的增加，玻璃的承載能力提高很小。

所以在選擇或者設計玻璃時，應注意：玻璃的厚度不能太薄，而且也不需要太厚，在該工況條件下，玻璃的最佳厚度應在8～10 mm之間，因為該厚度的鋼化玻璃，即可以有效地降低應力，又可以防止超重等，避免不必要的材料消耗。所以通過ANSYS軟件的理論分析，也進一步證明了屏蔽門玻璃厚度選擇為8～10 mm的經濟可行性。

4 結束語

隨著國內各大城市地鐵的建設，為了保證乘客的出行安全，地鐵屏蔽門玻璃的選用和強度必須滿足相關標準。

鋼化玻璃的自爆現象，是由鋼化玻璃本身的材質特性和生產加工方式所決定的一種特性。目前解決鋼化玻璃自爆的較有效辦法，是進行科學有效的均質處理，降低鋼化玻璃的自爆概率。重要場所使用鋼化玻璃，必須進行技術可靠的均質處理，在經濟條件允許的情況下，可考慮增貼防飛濺安全膜。

鋼化玻璃的應力，隨玻璃厚度的變化比較明顯。薄的鋼化玻璃的承載能力較差，但是當玻璃的厚度達到一定程度后，玻璃的承載能力提高很小。綜合考慮相關因素，玻璃的最佳厚度應在8～10 mm之間。

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